本發(fā)明涉及呼氣一氧化氮測量方法。
背景技術(shù)：
：呼氣一氧化氮作為氣道炎癥的標(biāo)志物用于哮喘等呼吸病的檢測分析已經(jīng)獲得醫(yī)療界充分肯定。歐洲與美國分別在1997年與1999年制定了呼氣一氧化氮檢測推薦標(biāo)準(zhǔn)，并在2005年聯(lián)合制定與公布了該項標(biāo)準(zhǔn)（“ATS/ERSRecommendationsforStandardizedProceduresfortheOnlineandOfflineMeasurementofExhaledLowRespiratoryNitricOxideandNasalNitricOxide,2005”，ATS為美國咽喉學(xué)會縮寫，ERC為歐洲呼吸學(xué)會縮寫），并在2011年制定了呼氣一氧化氮臨床應(yīng)用指南（AnOfficialATSClinicalPracticeGuideline:InterpretationofExhaledNitricOxideLevels(FENO)forClinicalApplications），用來指導(dǎo)如何進(jìn)行呼氣一氧化氮檢測及如何將檢測結(jié)果用于哮喘等呼吸病的診斷與療效評價。呼氣NO由肺泡區(qū)及氣道區(qū)共同產(chǎn)生，關(guān)于肺中ＮＯ產(chǎn)量和擴(kuò)散目前主要有三個模型：二室模型、三室模型及喇叭模型，可以分析四個與流量無關(guān)的參量：穩(wěn)態(tài)肺泡濃度（Calv）、最大氣道壁擴(kuò)散量（Jaw=Cw*Daw）和氣道擴(kuò)散系數(shù)（Daw）。該模型的提出加深了人們對NO交換機(jī)制及這些參數(shù)與生理病理間關(guān)系的理解，這三個參參數(shù)臨床上可以表達(dá)為降低、不變、升高三種可能，對應(yīng)組成27種可以區(qū)分的組合方式或病理狀態(tài)。（StevenC.Georgeetc.,JApplPhysiol96:831-8392004）。有關(guān)呼氣一氧化氮檢測方法方面的文獻(xiàn)很多，對現(xiàn)有各種測量方法，Hogman（J.BreathRes.7(2013)017104）及George（J.applPhysiol104909,2008）分別做了相對全面及客觀的介紹，這些方法的基礎(chǔ)都是呼氣一氧化氮兩室模型。概括而言，所述方法分為兩大類,其一為恒定呼氣流量測量方法：通過至少兩次不同呼氣流量的呼氣測量結(jié)果，通過線性或非線性擬合算法公式計算各種呼氣NO參數(shù)，對Calv,Jaw測量所用呼氣流量范圍為100~500ml/s；對Daw、Cw測量所用呼氣流量范圍為<10ml/s；為了計算Daw，采用恒定流量呼氣測量技術(shù)時，由于呼氣流量要小于10ml/s，對呼氣控制來說難度較大（在50ml/s的呼氣流速下持續(xù)呼氣4~10s相對來說容易實現(xiàn)，而更低的流速（如10ml/s的呼氣流速至少需要恒定流速呼氣20秒）及較高的呼氣下（呼氣阻力較大）持續(xù)呼氣都會較為困難）。其二為一口氣變流量測量方法(（George,JApplPhysiol91477-487,2001），通過憋氣20秒后呼氣，在呼氣過程中連續(xù)調(diào)控呼氣流量（從300ml/s到50ml/s），測量并記錄與呼氣流量及時跟隨的呼氣NO濃度變化曲線，然后根據(jù)兩室模型，調(diào)整Jaw、Calv、Daw等參數(shù)擬合呼氣測量曲線，通過最小二乘法選擇確定最合適的參數(shù)。所述方法未考慮憋氣時氣道NO氣體軸向擴(kuò)散及氣道內(nèi)不同部位Cw不一致對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)所述氣道參數(shù)測量方法所用儀器均為化學(xué)發(fā)光儀(SiversNOA280orAerocrineNIOX)，該儀器響應(yīng)時間快（t90<100ms）、分辨率高（NO測量分辨率<1ppb），是測量NO的金標(biāo)準(zhǔn)，但該設(shè)備較為復(fù)雜，且應(yīng)用維護(hù)成本較高，在普通臨床應(yīng)用上逐漸被更低成本的電化學(xué)分析方法所替代，但由于電化學(xué)氣體傳感器響應(yīng)時間較慢，其時間分辨率無法滿足呼氣動態(tài)測量要求，在應(yīng)用上存在一定的局限性不適用于對時間分辨率要求較高的動態(tài)測量應(yīng)用。針對所述方法所存在的缺陷，尚沃通過對氣路、分析方法及算法的改進(jìn)，（中國專利201510782786.1）將電化學(xué)傳感器的時間分辨率提高到了0.1秒，進(jìn)而實現(xiàn)了對呼氣過程N(yùn)O濃度的一口氣變流量測量，可用于計算Jaw、Calv、Vaw等氣道參數(shù)。但所述專利方法還不能用于測量計算Daw。本發(fā)明的一個目的是在尚沃前述工作的基礎(chǔ)上通過方法創(chuàng)新實現(xiàn)對氣道參數(shù)Daw相對簡單的測量，解決文獻(xiàn)方法的缺陷，擴(kuò)展儀器的應(yīng)用范圍。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明揭示了一種呼氣一氧化氮氣道擴(kuò)散系數(shù)的方法，其特征在于所述測量至少分兩次完成，其中：1）第一次測量：不憋氣，通過改變呼氣流量測量計算最大氣道通量Jaw及肺泡一氧化氮濃度Calv參數(shù)；2）第二次測量：憋氣一定時間后持續(xù)呼氣，測量持續(xù)呼氣所得到的呼氣NO總量；3）參數(shù)計算：將第一次測量所得到的Jaw、Calv、Cair等參數(shù)代入相關(guān)公式，計算理論呼氣NO總量，調(diào)整另外一個參數(shù)Daw參數(shù)使其與持續(xù)呼氣所得到的呼氣NO總量最為接近。所述第一次測量可通過一口氣變流量方法實現(xiàn)，也可以通過改變呼氣流量多次恒流量呼氣測量實現(xiàn)。在所述方法中，憋氣時間一般選擇為5~30秒，優(yōu)選20秒，憋氣后持續(xù)呼氣一般要求呼出氣體積為死腔氣體體積的1~8倍，優(yōu)選為2~4倍。所述測量呼氣ＮＯ總量的測量有兩種方法：其一為記錄全呼氣過程呼氣NO濃度變化曲線，通過曲線積分的方法計算呼氣ＮＯ總量；其二為將呼出氣體全部收集于一氣袋中，呼氣結(jié)束后對氣袋中的氣體平均濃度進(jìn)行測量，然后根據(jù)氣袋中氣體的平均濃度及體積計算呼氣NO總量。所述二室模型所得到的呼氣ＮＯ總量的理論計算公式為：其中：呼氣殘留時間τe通過呼氣流量及氣道死腔體積間的關(guān)系求出：吸氣殘留時間τin通過吸氣流量及氣道死腔體積間的關(guān)系求出：。本發(fā)明方法通過呼氣方法的設(shè)計降低了呼氣過程控制的難度，提高了測量的成功率與可靠性，通過算法的優(yōu)化避免了二室模型過于簡單所帶來的測量誤差，使測量結(jié)果更加可靠。附圖說明圖1肺泡及氣道一氧化氮產(chǎn)生及擴(kuò)散雙室模型。圖2憋氣20秒后以50ml/s流量呼氣6秒呼氣NO濃度測量曲線與理論呼氣NO曲線間的比較。具體實施方式本發(fā)明所述方法的理論基礎(chǔ)基于被公認(rèn)的呼出氣一氧化氮生理模型-----二室模型（如圖1所示），從簡化的生理模型切入分析，然后根據(jù)實際情況對所得計算公式進(jìn)行適當(dāng)修正并合理應(yīng)用，使理論與實驗結(jié)果更為接近。利用呼氣一氧化氮二室模型進(jìn)行分析時一般假定：1）呼出氣NO來源于肺泡和氣道（在關(guān)閉軟腭的條件下，不考慮鼻腔氣的干擾）；2）呼氣過程中，肺泡中的NO(Calv)濃度較小且保持恒定（一般小于5ppb，這是因為由肺泡產(chǎn)生或在吸氣過程由上氣道吸入的NO會很快與血紅蛋白結(jié)合）；3）當(dāng)肺泡氣流經(jīng)氣道并在口腔排出前，NO濃度會逐漸上升，其原因在于氣道皮質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的NO在氣道壁上的濃度（Cw）遠(yuǎn)大于氣道內(nèi)氣體NO濃度(Ca)，這樣NO持續(xù)會由氣道壁向氣道擴(kuò)散，其擴(kuò)散速度滿足Fick定律；4）在氣道不同解剖部位氣道壁NO濃度Cw是一致的。在此前提下，考慮不同呼氣狀態(tài)下呼氣NO濃度與氣道參數(shù)，特別是Daw間的關(guān)系有：1）當(dāng)呼氣體積大于氣道死腔氣體積時（此時呼出氣體積Ve>氣道死腔氣體積Vaw,呼氣時間te>呼氣殘留時間τe）此時呼出氣NO濃度滿足關(guān)系：（1）其中Ce為呼出氣NO濃度，Cw為氣道壁NO濃度，Calv為肺泡NO濃度，Daw為氣道擴(kuò)散系數(shù)，Vaw為氣道死腔氣體積,τe為呼氣殘留時間；在恒定呼氣流量Fex的條件下，有：(2)此時（1）式可簡化為：（3）由此可見，將死腔氣呼出后，呼氣NO濃度與憋氣時間無關(guān)，而與肺泡濃度(Calv)、最大氣道壁擴(kuò)散量（Jaw）、氣道擴(kuò)散系數(shù)Daw有關(guān)，但由于Daw對Ce的影響只有在保留時間τe足夠長或者說呼氣流量足夠慢（Fex足夠小，τe=Vaw/Fex,其中Vaw為氣道死腔氣體積）時才能顯現(xiàn)出來，實際應(yīng)用有點難度。所以文獻(xiàn)報道利用該公式計算Daw時呼氣流量一般都要小于10ml/s，而在該流量下要排掉氣道死腔氣，至少要以該流量持續(xù)呼氣20秒以上，呼氣控制非常困難，臨床上很難得到應(yīng)用。2）當(dāng)呼氣氣體體積小于死腔氣體積時（Ve<Vaw,te<τe）此時呼氣NO濃度滿足關(guān)系：（4）當(dāng)tin>τin時有：（5）由公式（4）、(5)可知，此時呼氣NO的濃度與吸入空濃度Cair、吸氣、呼氣時間tin、te及氣道參數(shù)Cw、Daw、Vaw、Jaw等7個因子有關(guān)，（定義Jaw=Daw*Cw），如Jaw、Vaw已知，tin、te、Ce、Cair可測量，理論上只要根據(jù)這段時間的呼氣NO曲線，取至少兩個不同時間下的Ce值組成通過聯(lián)立方程就可將Daw求出。在呼氣流量較大時，（4）、（5）式中的指數(shù)項數(shù)值較小，對呼氣NO濃度Ce的影響不大，而采用憋氣后測量的方法，呼氣NO濃度滿足關(guān)系：（6）這可見可大大提高指數(shù)項因子對Ce的貢獻(xiàn)，此時Daw對呼氣NO的影響也就凸顯出來，因而采用憋氣后呼氣測量可提高Daw計算的可靠性。但當(dāng)本發(fā)明者試圖利用（6）式進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)：實際憋氣后呼氣NO濃度隨時間變化曲線與理論曲線間存在較大的差異，而且利用所述公式對健康人群進(jìn)行測量計算時所得Daw值分布范圍為20~50ml/s，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)報道值（3.1~9.2ml/s)，且重現(xiàn)性較差，說明所述方法還存在一定缺陷。分析其原因可能有兩點：一是公式推導(dǎo)所用的生理模型過于簡化，實際上氣道并不是均勻的圓形管道，且氣道各部分NO產(chǎn)生于擴(kuò)散的速度也不一定是均一的，因而用此簡化模型很難準(zhǔn)確地模擬呼氣NO濃度變化情況；二是在憋氣過程中，由于氣道NO濃度的較高，氣道不同位置，大氣道、小氣道間的NO存在較大的濃度梯度，軸向濃差擴(kuò)散的影響已不可忽略。由于上述二室模型在恒定呼氣流量下且呼氣時間大于殘留時間τe時已被廣泛證實是近似有效的（必要時可進(jìn)行氣道喇叭模型修正），這說明所述二室模型在一定程度上反映了氣道NO產(chǎn)生于擴(kuò)散的生理狀態(tài)，所述模型有一定的合理性。這是因為在恒定呼氣流量下且呼氣時間大于殘留時間τe時，所述模型中各參數(shù)Daw、Cw、Jaw、Calv、Vaw對呼氣NO濃度的影響是在殘留時間τe內(nèi)累積的，因而反應(yīng)的是一個平均的結(jié)果，通過恒流量呼氣（用不同的呼氣流量多次測量）測量所得結(jié)果反映的也是一個氣道參數(shù)的均值。因此，一個優(yōu)選的測量方法應(yīng)該是分析呼氣NO總量與氣道參數(shù)間的關(guān)系?？紤]NO軸向擴(kuò)散的情況，如假設(shè)小氣道不產(chǎn)生也不消耗從大氣道擴(kuò)散過來的NO，則可將部分小氣道中的NO也納入積分運(yùn)算，進(jìn)而修正ＮＯ軸向擴(kuò)散產(chǎn)生的影響，在分析文獻(xiàn)中潮氣測量模型時發(fā)現(xiàn)，該假定已經(jīng)被采納并驗證，說明此假定具一定的合理性。在所述假定下，將呼氣小于τe及大于τe兩部分時間段呼出的NO全部考慮在內(nèi)，呼氣NO的總量Qe滿足以下關(guān)系：(7)其中：呼氣殘留時間τe通過呼氣流量及氣道死腔體積間的關(guān)系求出：(8)吸氣殘留時間τin通過吸氣流量及氣道死腔體積間的關(guān)系求出：(9)利用該算法進(jìn)行計算時，考慮到長時間呼氣測量的難度，需要保證在一定的呼氣時間內(nèi)呼出1～8個呼氣死體積的氣體（對健康成人，優(yōu)選為呼出1~4個呼氣死體積的氣體），因而呼氣流量、時間有一個最合適的范圍，呼氣流量太小，則所需呼氣時間太長，呼氣難度較大；呼氣流量太大，則呼氣時間太短，且呼氣NO濃度太低，測量誤差較大，最合適的條件可通過實驗進(jìn)行選擇。由公式（7）可知，憋氣后呼氣NO總量Qe與最大氣道通量Jaw、氣道擴(kuò)散系數(shù)Daw、氣道死腔氣體積Vaw、憋氣時間thold、吸氣殘留時間τin、呼氣殘留時間τe、肺泡NO濃度Calv、吸、呼氣流量（Fin、Fex,用于計算τin、τe）、呼氣時間te等10個因子有關(guān)，其中Jaw、、Vaw、Calv等3個參數(shù)可通過尚沃一口氣多參數(shù)分析技術(shù)測得（專利201510782786.1），也可以通過文獻(xiàn)報道的多口氣變流量呼氣測量方法測得，而thold、τin、τe、Fin、Fex、te及呼氣NO總量Qe等7個參數(shù)可設(shè)計合適的裝置直接測量計算，因而公式（7）中剩下一個未知參數(shù)Daw便可以直接利用所述公式計算得到。本發(fā)明方法通過呼氣方法的設(shè)計降低了呼氣過程控制的難度，提高了測量的成功率與可靠性，通過算法的優(yōu)化避免了二室模型過于簡單所帶來的測量誤差，使測量結(jié)果更加可靠。應(yīng)用實施例一本發(fā)明所用裝置為中國專利201510782786.1所描述的一口氣變流量測量裝置，該專利所描述的方法可用于氣道參數(shù)Jaw，Ca，Vaw的測量，而對于Daw的測量，則采用本發(fā)明所述方法，其測量及分析過程如下：1）第一次測量：通過專利201510782786.1所述一口氣變流量技術(shù)測量Jaw、Calv、Vaw；2）第二次測量：憋氣20秒后以固定呼氣流量持續(xù)呼氣6秒，并測量記錄全過程呼氣NO濃度變化曲線；3）計算：根據(jù)呼氣全過程N(yùn)O測量曲線及吸氣、呼氣參數(shù)通過公式(7)計算Daw。圖2是憋氣20秒后以50ml/s流量呼氣6秒呼氣NO濃度測量曲線與根據(jù)公式（7）計算出的理論呼氣NO曲線間的比較，由圖可見理論曲線與實測曲線存在較大的差異。表1是一志愿者先通過尚沃一口氣變流量設(shè)備測量變流量測量得到的氣道參數(shù)值，隨后利用該設(shè)備記錄憋氣20秒后以50ml/s的呼氣流量持續(xù)呼氣6秒所得到的NO濃度變化曲線，然后利用公式（7）計算Daw及Cw,表二列出的是上下午各5次測量的結(jié)果，其平均值分別為6.1+/-2.0ml/s，7.3+/-2.3ml/s,所得的結(jié)果重現(xiàn)性在臨床上可以接受，測量均值與文獻(xiàn)報道的健康成人Daw值（3.1~9.2ml/s）接近，表明所述方法是合理的。表一：利用尚沃一口氣變流量設(shè)備測量得到的志愿者氣道參數(shù)Cair（ppb)Calv(ppb)Jmax(pl/s)Vaw(ml)32.5644132表二：利用尚沃一口氣變流量設(shè)備測量憋氣20秒后以50ml/s流量持續(xù)呼氣6秒，重復(fù)測量10次，并利用表一數(shù)據(jù)計算得到的氣道參數(shù)Daw及Cw考慮到儀器死體積及傳感器響應(yīng)的滯后，可對曲線積分區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以獲得更加準(zhǔn)確的測量結(jié)果，如積分時間點選擇從5%或10%的呼氣體積開始，這樣可減少口腔及儀器死體積對測量結(jié)果的影響。本實施例優(yōu)選呼氣流量為50ml/s，實際呼氣流量及呼氣時間的選擇可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)呼氣時間的選擇一般為使呼氣總體積達(dá)到死腔氣體積的1~8倍，優(yōu)選為2~4倍，太小NO軸向擴(kuò)散影響較大，Daw測量值偏高，太大Daw測量結(jié)果的影響較小，結(jié)果重現(xiàn)性較差。本實施例優(yōu)選的憋氣時間為20秒，太短Daw測量的重現(xiàn)性不好，測量誤差較大，憋氣時間太長則受試者配合困難。所述第一次測量可通過一口氣變流量方法實現(xiàn)，也可以通過改變呼氣流量多次恒流量呼氣測量實現(xiàn)。應(yīng)用實施例二所用裝置與應(yīng)用實施例一相同,不同之處在于不必恒定流量呼氣，但算法相對實施例一相對復(fù)雜。其測量分析過程如下：1)第一次測量：通過專利201510782786.1所述一口氣變流量技術(shù)測量Jaw、Calv、Vaw2)第二次測量：憋氣20秒后以持續(xù)呼氣一段時間，測量記錄全呼氣過程的呼氣流量曲線及呼氣NO濃度變化曲線3)計算：根據(jù)呼氣全過程N(yùn)O測量曲線及吸氣、呼氣參數(shù)通過公式(7)~（9）計算Daw。應(yīng)用實施例三所用裝置與應(yīng)用實施例一相同，不同之處在于對呼氣ＮＯ總濃度的測量方法的選擇，本實施例是將呼出氣體全部收集于一氣袋中，呼氣結(jié)束后對氣袋中的氣體平均濃度進(jìn)行測量，然后根據(jù)氣袋中氣體的平均濃度及體積計算呼氣NO總量，再根據(jù)吸氣、呼氣參數(shù)通過公式(7)~（9）計算Daw。當(dāng)前第1頁1 2 3